本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料。更具體地，涉及一種多級孔隙結(jié)構(gòu)支架及其制備方法與應用。

背景技術(shù)：

1、脂肪族聚酯因具備卓越的生物相容性和生物降解性，在生物醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應用前景。聚己內(nèi)酯(pcl)作為一種典型的脂肪族聚酯，已被廣泛研究和應用。其安全性得到了包括中國國家藥品監(jiān)督管理局(nmpa)、美國食品和藥物監(jiān)督局(fda)以及歐盟ce等多個國家和地區(qū)權(quán)威機構(gòu)的認證，被視為骨組織修復和再生材料的理想材料。特別是當pcl被加工成具有多級孔隙結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架時，其優(yōu)勢更為顯著。多級孔隙結(jié)構(gòu)支架是一種具有雙重孔隙特征的支架，其包含兩種不同尺度的孔隙：宏觀孔隙和微觀孔隙。宏觀孔隙一般是分布在支架內(nèi)部，孔徑較大，通常在100μm～1000μm之間，而微觀孔隙則分布在支架宏觀孔壁或支架表面，孔徑一般小于100μm。這兩種孔隙相互結(jié)合，共同構(gòu)成了支架的多級孔隙結(jié)構(gòu)。研究表明，孔隙數(shù)量的增多能夠增加比表面積，進而促進細胞外基質(zhì)蛋白(如纖維連接蛋白、層粘連蛋白)的吸附，從而間接增強細胞的黏附能力。這種多級孔隙結(jié)構(gòu)不僅能夠有效提升氧氣和營養(yǎng)的輸送效率，促進組織內(nèi)生長和新血管的形成，從而顯著加快組織的修復和再生過程，還能更好地促進細胞的增殖與分化，加速骨整合與新骨形成。與此同時，它還保持了優(yōu)異的力學性能和穩(wěn)定性，進一步拓寬了pcl在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用范圍。此外，互連的多級孔隙結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)輸送與擴散、細胞遷移和組織長入，為骨組織工程提供了更為理想的微環(huán)境。

2、鑒于多級孔隙結(jié)構(gòu)在支架中的顯著優(yōu)勢，研究者們分別嘗試了多種制備方法，如致孔劑析出、超臨界二氧化碳發(fā)泡、靜電紡絲、相分離以及3d打印等技術(shù)。然而，這些方法各自存在著不同的局限性。例如，致孔劑析出法雖然能夠獲得具有宏觀孔隙的支架，但致孔劑難以完全析出，這限制了宏觀孔隙之間的相互貫通和開放狀態(tài)，即降低了宏觀孔隙的連通性，進而影響了細胞的滲透和擴散。超臨界二氧化碳發(fā)泡法需要專業(yè)設(shè)備支持，成本高且工藝復雜。靜電紡絲法所需設(shè)備復雜，且可能因高溫和高壓裝置之間的靜電干擾而影響紡絲效果；相分離法通常需要使用大量溶劑(如二氯甲烷)，且殘留量較高，降低了生物相容性。盡管3d打印技術(shù)能夠制造出具有宏觀孔隙結(jié)構(gòu)的支架，但目前難以在支架表面構(gòu)建出微觀孔隙，這種微觀孔隙的缺失對細胞的黏附和遷移不利，進而影響了支架的生物活性和組織再生效果。

3、為了克服上述單一方法在制備多級孔隙結(jié)構(gòu)支架存在的局限性，研究者們開始積極探索新的策略，旨在融合各種技術(shù)的優(yōu)勢，規(guī)避其不足，以制造出理想的多級孔隙結(jié)構(gòu)支架。例如，raúl?sanz-horta等人(sanz-horta,r.,et?al.,polycaprolactone?withmultiscale?porosity?and?patterned?surface?topography?prepared?usingsacrificial?3d?printed?moulds:towards?tailor-made?scaffolds.biomaterialsadvances,2023.151:213465.)通過使用熔融沉積成型(fdm)打印制造聚乙烯醇模具，再填充聚己內(nèi)酯并通過超臨界二氧化碳發(fā)泡形成微孔，最后通過氯仿溶劑處理得到多級孔隙支架。然而，該方法在去除模具的后續(xù)步驟中的處理時間超過12小時，耗時較長，并且所制造的微孔尺寸以及宏觀孔隙的連通性難以控制。

4、因此，亟需開發(fā)一種高效且可控的多級孔隙結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)支架的制備方法，以滿足生物醫(yī)學領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苤Ъ艿男枨蟆?/p>

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中在制備多級孔隙結(jié)構(gòu)支架的過程中，普遍存在著制備耗時長、成本高、工藝復雜的問題，同時微觀孔隙尺寸和宏觀孔隙的連通性難以精確控制，致孔劑難以完全清除，且有機溶劑殘留量高，影響了生物相容性等缺陷和不足，提供一種多級孔隙結(jié)構(gòu)支架的制備方法。

2、本發(fā)明的另一目的是提供上述制備方法制備得到的多級孔隙結(jié)構(gòu)支架。

3、本發(fā)明的再一目的是提供上述多級孔隙結(jié)構(gòu)支架在制備組織工程支架、細胞培養(yǎng)支架和控釋載體中的應用。

4、本發(fā)明上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

5、本發(fā)明保護一種多級孔隙結(jié)構(gòu)支架的制備方法，包括以下步驟：

6、s1.將脂肪族聚酯基材料進行3d打印，得具有宏觀孔隙結(jié)構(gòu)的支架；

7、s2.將步驟s1所得支架放置在-20～10℃下進行預冷處理，得預冷處理后的支架；將所得預冷處理后的支架在乙酸乙酯蒸氣下進行冷凝處理，得冷凝處理后的支架；將冷凝處理后的支架放置在20～35℃、濕度為50％rh～100％rh的條件下使支架表面形成水滴后干燥，在支架表面形成微觀孔隙，得多級孔隙結(jié)構(gòu)支架；

8、其中，所述微觀孔隙的孔徑<100μm；所述宏觀孔隙的孔徑為≥100μm。

9、本發(fā)明提出了一種高效且簡便的制備工藝，乙酸乙酯蒸汽作為本發(fā)明的核心處理試劑，具有安全性高、用量少且成本低廉的顯著優(yōu)勢。在制備過程中，首先通過3d打印制備得到具有宏觀孔隙結(jié)構(gòu)的支架，對其進行預冷處理。隨后，利用乙酸乙酯蒸汽在預冷支架表面冷凝形成乙酸乙酯層。接著，將表面覆蓋有乙酸乙酯層的支架轉(zhuǎn)移至20～35℃、濕度為50％rh～100％rh的環(huán)境中。由于支架表面的乙酸乙酯揮發(fā)吸熱，導致支架表面溫度降低，在高濕度條件下，若處于水蒸氣環(huán)境中，水蒸氣會在支架表面凝結(jié)成水滴；若處于水霧環(huán)境中，懸浮在空氣中的微小水滴會與支架接觸并附著在其表面。待恢復至環(huán)境溫度后，這些水滴和殘留的溶劑會蒸發(fā)，從而在支架表面形成微觀孔隙。其中，支架表面的微觀孔隙和支架結(jié)構(gòu)上的宏觀孔隙共同形成多級孔隙結(jié)構(gòu)。特別地，本發(fā)明通過采用乙酸乙酯的蒸汽形式對支架進行處理，而非直接浸泡在乙酸乙酯溶劑中。這種方式不僅可以確保支架表面均勻覆蓋乙酸乙酯，還能有效避免支架中原有的宏觀孔隙因毛細管力、表面張力和粘附力作用而導致溶劑殘留，從而防止液膜的形成對宏觀孔隙連通性的影響。本發(fā)明的制備工藝不僅高效便捷，還具有良好的拓展性。通過調(diào)整工藝參數(shù)，該工藝可廣泛應用于其他溶劑和支架材料體系，為材料科學的創(chuàng)新與發(fā)展提供了廣闊的空間和可能性。

10、進一步地，步驟s1中，所述脂肪族聚酯基材料的具體制備方法包括以下步驟：

11、將脂肪族聚酯和可選的工程材料混勻，即得脂肪族聚酯基材料。

12、更進一步地，所述脂肪族聚酯為聚己內(nèi)酯和/或聚乳酸。這些聚酯的酯基極性相互匹配且其結(jié)晶度相對較低，這使得它們都能滿足本技術(shù)脂肪族聚酯的需求。

13、優(yōu)選地，所述脂肪族聚酯為聚己內(nèi)酯。原因在于其與乙酸乙酯的溶度參數(shù)更為接近，極性差異得以最小化，并且其分子鏈展現(xiàn)出更高的柔順性。

14、更進一步地，所述工程材料包括聚合物、無機非金屬材料、金屬材料中的一種或多種。

15、優(yōu)選地，所述工程材料為無機非金屬材料。

16、更優(yōu)選地，所述無機非金屬材料包括羥基磷灰石、磷酸三鈣、生物活性玻璃中的一種或多種。

17、進一步地，所述脂肪族聚酯和可選的工程材料的質(zhì)量比為1：(0.2～1)。

18、優(yōu)選地，所述混勻的溫度為70～200℃。

19、更優(yōu)選地，所述混勻的時間為10～30min。

20、優(yōu)選地，所述混勻為攪拌混勻。

21、進一步地，步驟s1中，所述3d打印的物料筒溫度為70～200℃。

22、進一步地，步驟s1中，所述3d打印的噴頭溫度為90～200℃。

23、進一步地，步驟s1中，所述3d打印的平臺溫度為25～40℃。

24、進一步地，步驟s1中，所述3d打印的速度為1～10mm/s。

25、進一步地，步驟s1中，所述3d打印的噴頭直徑為0.13～1.0mm。

26、進一步地，步驟s1中，所述3d打印的層高為0.1～1.0mm。所述層高為打印支架中每一層單根線材的高度。

27、進一步地，步驟s1中，所述3d打印的孔徑為0.04～1.0mm。所述孔徑為3d打印所得支架結(jié)構(gòu)中宏觀孔隙的直徑大小。

28、進一步地，步驟s1中，所述3d打印的填充走向的方向為任意方向。在打印過程中，可以根據(jù)設(shè)計需求，自由選擇填充材料的沉積路徑，這有利于實現(xiàn)復雜的幾何形狀的打印。

29、進一步地，作為一種優(yōu)選的方式，步驟s1中，所述3d打印的填充走向方向為0°或90°。這種方向選擇不僅確保了結(jié)構(gòu)支架在各個方向上的力學性能均勻一致，而且滿足了生理環(huán)境中對材料各向同性的需求。通過這種特定的填充走向，打印出的支架能夠模擬天然組織的均勻強度和穩(wěn)定性，從而提高其生物相容性和功能性。

30、優(yōu)選地，步驟s1中，所述宏觀孔隙為100～1000μm。在此范圍內(nèi)的支架結(jié)構(gòu)上的宏觀孔隙更為常見，它們有利于細胞的滲透、營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸以及代謝廢物的排出。

31、優(yōu)選地，步驟s2中，所述預冷處理的時間為1～5min。

32、優(yōu)選地，步驟s2中，所述乙酸乙酯蒸汽冷凝處理的溫度為25～40℃。

33、更優(yōu)選地，步驟s2中，所述乙酸乙酯蒸汽冷凝處理的時間為5～90s。

34、優(yōu)選地，步驟s2中，所述20～35℃、濕度為50％rh～100％rh的條件為水蒸氣和/或水霧。

35、更優(yōu)選地，步驟s2中，所述20～35℃、濕度為50％rh～100％rh的條件下的處理時間為5～300s。

36、進一步地，步驟s2中，所述干燥的條件為在室溫下干燥6～12h。

37、本發(fā)明保護上述制備方法制備得到的多級孔隙結(jié)構(gòu)支架。

38、本發(fā)明所制備的多級孔隙結(jié)構(gòu)支架展現(xiàn)出了顯著的產(chǎn)品優(yōu)勢。這些支架不僅孔隙連通性優(yōu)越，確保了良好的物質(zhì)傳輸、細胞黏附與遷移能力，而且性能穩(wěn)定，能夠在多種應用環(huán)境中保持其結(jié)構(gòu)完整性和功能性。尤為重要的是，通過精確控制制備過程中的工藝參數(shù)，本發(fā)明實現(xiàn)了微觀孔隙大小及其分布的高度可控性，為不同應用場景下的細胞培養(yǎng)、組織工程及控釋載體等提供了理想的微環(huán)境。此外，乙酸乙酯蒸汽的均勻覆蓋與低殘留特性，進一步提升了支架的生物相容性和安全性，使得這些多孔支架在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有廣泛的應用潛力和市場價值。

39、本發(fā)明保護上述多級孔隙結(jié)構(gòu)支架在組織工程支架、細胞培養(yǎng)支架或控釋載體領(lǐng)域中的應用。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

41、本發(fā)明先利用3d打印技術(shù)制備出具有宏觀孔隙結(jié)構(gòu)的支架，再經(jīng)預冷、乙酸乙酯蒸汽冷凝、水分附著及干燥工藝，在支架表面形成微觀孔隙，制得多級孔隙結(jié)構(gòu)支架。其中，乙酸乙酯蒸汽會在預冷支架的表面凝結(jié)成乙酸乙酯層，隨后轉(zhuǎn)移至一定的濕度環(huán)境中，使環(huán)境中的水分附著在支架表面形成水滴，待支架恢復至室溫后，水滴和殘留的乙酸乙酯會隨之蒸發(fā)，從而在支架表面形成微觀孔隙結(jié)構(gòu)。通過上述方法制備得到的多級孔隙結(jié)構(gòu)支架展現(xiàn)出良好的孔隙連通性、穩(wěn)定的性能以及可控的孔隙大小和分布。此外，該制備方法簡便且易于控制，為實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供了有利條件。